專利名稱：單光纖雙光束干涉系統微型光纖探頭的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及的是光相干斷層成像(OCT)系統技術，主要是關于共路徑光相干 斷層成像系統的光纖探頭。
背景技術：
光相干斷層成像(Optical Coherence Tomography，簡稱OCT)是一種高分辨率、 非接觸式的生物組織成像技術。作為一種影像學檢查方法具有非創傷性、非接觸性、操作 簡單，高分辨率橫截面成像，圖像直觀、清晰。這項技術的獨特功能使得研究和臨床應用非 常廣泛，尤其是光相干斷層成像技術與內窺成像技術相結合形成的內窺光相干斷層成像技 術，可對生物體內部的組織器官進行成像，極大地拓展了它的應用范圍。光相干斷層成像是一種新型的光學成像方式，是通過測量后向散射光和后向反射 光可以實現對材料內部的微觀結構和生物系統的橫斷面的成像。它所使用的光源是可見 光或者近紅外光，成像也是只適用于可見光或近紅外光透明的媒質。光相干斷層成像技術 發展至今，從光路的結構來看，主要有兩類一類是雙光路結構，參考臂和探測臂是獨立的； 另一類是單光路結構，即參考臂和探測臂合在一起。在共路徑OCT系統中，參考臂和樣品臂 共用一個光學路徑。光源發出的光經過光纖耦合器進入參考臂(樣品臂)，一部分光在參 考面處反射，作為參考光；另一部分光透過傳感探針照射到樣品內部而得到很弱的后向散 射光，再次耦合回光纖，作為樣品光，與參考光相干疊加，產生干涉信號。干涉信號通過參 考臂(樣品臂)回到光纖耦合器，進入探測器。由于生物體內腔結構極不規則，進人其內的 光纖或光纖傳像束不可避免地存在著彎曲現象，致使由其傳輸光束的偏振態發生變化，以 及使用與參考臂不同類型或不同長度光纖時引起的色散失配、溫度波動引起的圖像漂移、 周期性生命律動引起的振動等，都會導致成像質量顯著下降。并且，針對不同組織或區域 成像時要求使用不同長度的探頭，探頭的每次更換，都需進行大行程范圍的光程匹配、色散 補償和偏振態調節等操作，這些因素有時甚至會超出系統可供調節的范圍而得不到滿意結 果。因此，系統的傳感探頭采用共路徑結構，可以有效的減小光纖振動、彎曲等干擾的影響， 非常適合內窺成像，這樣才能得到人體內部組織器官的高分辨率成像。國外的很多科研機 構都開展了這方面的研究，如美國的哈佛醫學院的G. J. Tearney小組采用的旋轉光學組件 構建的360度圓周掃描的探頭系統；Y. T. Pan和J. M. Zara提出的基于旋轉光耦合器和微機 電系統(MEMS)的OCT微型探頭；華盛頓大學的Xingde Li小組提出基于壓電陶瓷的掃描探 頭。上述的方法，都存在有各自的優缺點，如基于旋轉光學組件和光學耦合器的掃描探頭， 其光的耦合效率比較低，而且探頭的尺寸比較大；基于MEMS技術的微型探頭制作相當的復 雜，制造成本和技術要求都比較高；基于壓電陶瓷的掃描探頭需要很高的驅動電壓，需要較 高的能耗，這不利于目前提倡的低碳經濟并在人體中產生一定的安全隱患。因此，如何在比 較簡單的制造工藝和較低的制造成本的條件下，設計出結構簡單緊湊、能耗低、并具有較高 的光能利用率的共路徑OCT掃描探頭，就成為OCT探頭設計的一大目標。發明內容技術問題本實用新型的目的在于針對現有技術的不足，提供一種用于共路徑光 學相干層析技術成像的單光纖雙光束干涉系統微型光纖探頭。該共路徑光纖探頭基于楔形 光纖和有角度的光纖端面，楔形光纖用于縮小信號光的光斑大小，有角度的光纖端面提供 了參考信號并對參考信號的大小進行調節，以達到最好的干涉效果，得到最好信噪比的干 涉信號。技術方案本實用新型的單光纖雙光束干涉系統微型光纖探頭，該探頭包括單模 光纖和楔形光纖，單模光纖和楔形光纖相連接成為一個整體，或直接在單模光纖的尾端切 割成楔形。所述的楔形光纖的尖劈端設有一個調節激光在楔形光纖上反射光和透射光分光 比的光纖端面，光纖端面與豎直方向有一夾角為θ。所述的角為θ的具體的大小是由反射 光R和透射光T的分光比確定，根據菲涅耳定律計算得出
r ^ D tan2(<9-^) 2 sin2(<9-^1) . 2R = ~r^-Hcos α + ~-Hsin α
tan2(6> + ^)sin2(" + 0)
^ sin 2Θ sin 2Θ,2 sin 2Θ sin 2Θ, . 2
「00071 T =——T1-r——T11-r cos a +-τ-,-^sin a
L 」 sin2 扮+ 0)cos2 扮sin2 (0 +^1)nsin θ = H1Sin θ j其中θ為端面與豎直方向的夾角，θ工為透射光與端面法線的夾角，α為震動面 與入射面的夾角。η為光纖纖芯的折射率，H1為空氣的折射率。楔形光纖可以將單模光纖輸出的激光進行會聚，照射在被測樣品上，楔形光纖的 端面被切割成一定的角度，用于調節激光輸出的分光比。有益效果與背景技術相比，本實用新型具有如下的技術效果1、本光纖探頭使用的是單模光纖和楔形光纖，具有體積小、結構緊湊、制造工藝簡 單的優點。2、本光纖探頭只是使用單模光纖和楔形光纖，并對光纖進行加工，不添加任何的 驅動裝置，減少了能量的消耗，低碳環保，也提高了安全性。3、通過使用楔形光纖對成像光纖中的激光進行準直會聚，可以提高軸外點成像的 光能利用率，進而提高系統總體的信噪比。
以下結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。
圖1是共路徑光相干斷層成像系統的結構示意圖。圖2Α是本實用新型的光纖探頭。圖2Β是圖2Α的俯視圖。圖2C是圖2Α的側視 圖。圖3Α是是單模光纖和楔形光纖組合的光路示意圖。圖3Β是端面有角度的單模光 纖的光路示意圖。圖4Α是單模光纖的模斑圖，圖4Β是楔形光纖的模斑圖。圖5是共路徑光相干斷層成像探頭實驗的干涉曲線。圖中有單模光纖1，楔形光纖2，光纖端面3，待測試樣品4。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步的說明，本實用新型的目的和效果 將變得更加明顯。圖1所示是共路徑光相干斷層成像系統的原理圖。如圖所示，光源發出的光經過 單模光纖傳輸到2X2耦合器，通過2X2耦合器后，光分為兩路，其中一路的單模光纖被打 結，從而抑制了此路的反射光，另一路用單模光纖連接到光纖探頭，這一路中既作為參考臂 也作為探測臂。經過2X2耦合器的光進入參考臂(樣品臂)，一部分光在參考面處反射，作 為參考光；另一部分光透過傳感探針照射到樣品內部而得到很弱的后向散射光，再次耦合 回光纖，作為樣品光，與參考光相干疊加，產生干涉信號。干涉信號通過參考臂(樣品臂) 回到光纖耦合器，進入探測器。如圖2A所示，本實用新型用于共路徑光相干斷層成像系統的光纖探頭包括單模 光纖1和楔形光纖2，單模光纖1和楔形光纖2連接在一起，楔形光纖2的尾端被切割成一 定的角度Θ。圖2B所示的是圖2A的一個俯視圖。圖2C是圖2A的側視圖，圖2C所示的光 纖端面3與豎直方向的夾角為θ。θ角的作用是為了調節激光在光纖端面3上反射和透 射的分光比，從而提高干涉效果，提高系統的信噪比。圖3Α顯示的是單模光纖1和楔形光纖2組合的光路示意圖。如圖所示，光源發出 的光進入單模光纖1中，經單模光纖1傳輸到楔形光纖2中，由于楔形光纖2對激光的會聚 作用，將單模光纖1中傳輸光的模斑減小，將光的能量更加集中，經過角度為θ的光纖端面 3，一部分光由光纖端面3反射回楔形光纖2，另一部分的光由光纖端面3出射，照射在待測 試樣品4上，再經由待測試樣品4反射和散射效應，反射和散射光再耦合進楔形光纖2中， 與由光纖端面3反射回楔形光纖2的光發生干涉效應，干涉信號經楔形光纖2傳到單模光 纖1，再由單模光纖1傳到探測器中，從而形成一個共路徑光相干斷層成像系統。圖3Β顯示 的是簡化的共路徑光相干斷層成像探頭，它是將單模光纖1尾端切割成一定的角度θ，θ 角的大小在3. 35°到43. 23°之間。θ角度的作用也是為了調節激光在光纖端面3上的反 射和透射的分光比，從而提高干涉效果。圖3Α和圖3Β的區別是圖3Α中加有楔形光纖2，楔形光纖2是為了減少模斑大小， 與圖3Β相比，圖3Α所示探頭有更好的探測效果，有更好的信噪比。圖4Α所示的是單模光纖的模斑圖，圖4Β所示的是楔形光纖的模斑圖，由兩圖的對 比得知楔形光纖的模斑明顯小于單模光纖的模斑大小，這有助于提高系統的靈敏度和分辨率。圖5所示的是帶角度探頭的實驗測試到的干涉曲線圖。由干涉曲線得知，光纖端 面3到待測試樣品4之間的距離在IOum之內的干涉效果很明顯。
權利要求一種單光纖雙光束干涉系統微型光纖探頭，其特征在于該探頭包括單模光纖(1)和楔形光纖(2)，單模光纖(1)和楔形光纖(2)相連接成為一個整體，或直接在單模光纖的尾端切割成楔形。
2.根據權利要求1所述的單光纖雙光束干涉系統微型光纖探頭，其特征在于所述的楔 形光纖(2)的尖劈端設有一個調節激光在楔形光纖(2)上反射光和透射光分光比的光纖端 面(3)，光纖端面(3)與豎直方向有一夾角為θ。
3.根據權利要求1所述的單光纖雙光束干涉系統微型光纖探頭，其特征在于所述的角 為θ的具體的大小是由反射光R和透射光T的分光比確定，根據菲涅耳定律計算得出D tan2^1) 2 sin2{θ-θλ) . 2R = -~A-4 cos α + ~A-Hsin atan2 (θ+ θ,)sin2 (θ+ θ,)^sin 2Θ sin 2(9,2 sin 2Θ sin 2θλ . 2T =——T7-τ——ττ-τ cos α +-J7-Λειη αsin2 (" + 0)cos2(0-約)sin2(6> + ^)nsin θ = Ii1Sin θ ι其中θ為端面與豎直方向的夾角，θ工為透射光與端面法線的夾角，α為震動面與入 射面的夾角，η為光纖纖芯的折射率，H1為空氣的折射率。
專利摘要本實用新型涉及的是一種單光纖雙光束干涉系統微型光纖探頭，該探頭包括單模光纖(1)和楔形光纖(2)，單模光纖(1)和楔形光纖(2)相連接成為一個整體，或直接在單模光纖的尾端切割成楔形。所述的楔形光纖(2)的尖劈端設有一個調節激光在楔形光纖(2)上反射光和透射光分光比的光纖端面(3)，光纖端面(3)與豎直方向有一夾角為θ。本探頭通過楔形光纖對光纖中的激光進行會聚，減小激光的模斑大小，從而提高系統的信噪比；通過對楔形光纖端面角度的調節，可以改變激光在楔形光纖端面的反射和出射的比值，從而提高信號光和參考光的干涉效果。本探頭結構緊湊，制作工藝簡單，使用方便。
文檔編號G01N21/01GK201734698SQ20102027220
公開日2011年2月9日 申請日期2010年7月27日 優先權日2010年7月27日
發明者孫小菡, 巫中偉, 程瑤 申請人:東南大學